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Cómo funcionan los coches de hidrógeno

Cómo funcionan los coches de hidrógeno
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  1. Pilas de combustible de hidrógeno
  2. Producción de vehículos de hidrógeno
  3. Declive de los coches de hidrógeno

Pilas de combustible de hidrógeno

Un autobús de pila de combustible de hidrógeno sale del Centro de Convenciones de Connecticut en Hartford, Connecticut para una demostración.

Foto AP / Niño Bob

En 1839, el científico galés Sir William Robert Grove tomó el conocido proceso electroquímico de la electrólisis, que utiliza electricidad para producir hidrógeno a partir de agua, y lo invirtió, generando electricidad y agua a partir de hidrógeno. Llamó a su invento una batería voltaica de gas, pero hoy la conocemos como pila de combustible de hidrógeno. Mucho más tarde, a mediados del siglo XX, la tecnología fue desarrollada por el inventor Francis Bacon. La tecnología desarrollada por estos dos inventores es esencial para el funcionamiento de un automóvil impulsado por hidrógeno.

El primer sistema práctico de pila de combustible fue desarrollado a principios de la década de 1960 por General Electric para su uso en cápsulas espaciales orbitales. Y luego, en la década de 1990, las celdas de combustible comenzaron a aparecer en los autobuses urbanos. por lo tanto, sabemos que es posible alimentar vehículos con pilas de combustible. Puede pensar en una celda de combustible como un tipo de batería, excepto que si la batería mantiene su combustible en ella, es necesario recargar una celda de combustible. El combustible de una pila de combustible de hidrógeno es, como su nombre indica, hidrógeno. Como recordará en las clases de química de la escuela secundaria, el hidrógeno es el más simple de todos los elementos. Un átomo de hidrógeno está compuesto por un solo electrón y un solo protón. La celda de combustible genera electricidad eliminando electrones de los protones y usando electrones para crear un flujo de electricidad pura. Los átomos de hidrógeno ionizados se combinan con el oxígeno para formar agua. El otro subproducto de este proceso es el calor, por lo que el agua suele tomar la forma de vapor. ¿Qué opinas de la dirección ecológica?

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El tipo de pila de combustible que se utiliza en los automóviles es la pila de combustible de membrana de intercambio de polímero (o PEM). Las pilas de combustible PEM tienen la ventaja de ser ligeras y pequeñas. Constan de dos electrodos (un ánodo con carga negativa y un cátodo con carga positiva), un catalizador y una membrana. El hidrógeno se ve obligado a entrar en la celda de combustible por el ánodo en forma de moléculas de H2, cada una de las cuales contiene dos átomos de hidrógeno. Un catalizador en el ánodo rompe las moléculas en iones de hidrógeno (protones) y un flujo de electricidad (electrones). Los iones atraviesan la membrana, pero la electricidad debe fluir. Durante ese tiempo, se puede utilizar para funcionar. Así como el hidrógeno entra en la celda de combustible en el ánodo, el oxígeno entra en el cátodo. Los protones y los electrones se encuentran en el cátodo y se unen con el oxígeno para formar agua, la mayor parte de la cual se convierte en el drenaje de la celda de combustible. Las pilas de combustible están diseñadas para ser planas y delgadas, especialmente para que puedan apilarse. Cuantas más celdas de combustible haya en la celda, mayor será el voltaje de la electricidad producida por la celda.

Mucha gente cree que los vehículos de bajo consumo de combustible, como los de hidrógeno, serán fundamentales para cubrir las necesidades energéticas del siglo XXI. En 2003, el presidente George W. Bush anunció una iniciativa Freedom Fuel de 1.200 millones de dólares para apoyar el desarrollo de la tecnología de pilas de combustible. Las pilas de combustible tienen dos ventajas principales sobre los combustibles fósiles. Primero, no agotan el suministro de petróleo limitado del mundo, lo que nos ayuda a preservar los suministros existentes y puede incluso reducir nuestra dependencia del petróleo extranjero. En segundo lugar, el único subproducto del funcionamiento de las pilas de combustible es el calor y el agua, lo que significa que las pilas de combustible no producen contaminación. Esto es vital en un momento en el que se cree que las emisiones de carbono de los automóviles promueven el calentamiento global.

En la página siguiente, veremos cómo se producen los coches de hidrógeno y las pilas de combustible. Y quizás lo más importante, veremos de dónde proviene el hidrógeno en sí.

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Producción de vehículos de hidrógeno

La Tierra tiene mucho hidrógeno disponible en forma de agua;  sin embargo, separar, recolectar y almacenar puede ser bastante difícil.

La Tierra tiene mucho hidrógeno disponible en forma de agua; sin embargo, separar, recolectar y almacenar puede ser bastante difícil.

Foto AP / NASA

Entonces, ¿cómo construyen los fabricantes vehículos con bajo consumo de combustible, como automóviles con pilas de combustible? Bueno, la producción de autos de hidrógeno no es muy diferente de la producción de autos típicos. Por supuesto, el tren de fuerza, por ejemplo, y los sistemas eléctricos serán algo únicos porque una celda de combustible produce electricidad. Por tanto, un coche de hidrógeno y un coche eléctrico tienen mucho en común a este respecto. Quizás una pregunta más importante es cómo se producirá el hidrógeno en sí. Teniendo en cuenta que el hidrógeno es el elemento más abundante en el universo y constituye aproximadamente el 90% de los átomos existentes, se podría pensar que esto no sería un problema. Bueno, piénselo de nuevo. El hidrógeno también es el elemento más ligero del universo, y cualquier hidrógeno que no esté contenido en la superficie de la Tierra flotará inmediatamente en el espacio. El hidrógeno restante en este planeta está vinculado a otros elementos en forma molecular, con mayor frecuencia en moléculas de agua (H2O). Y resulta que hay mucho H2O en la superficie de la Tierra.

Pero, ¿cómo separar las moléculas de hidrógeno del agua de las moléculas de oxígeno? Y si no usamos agua como fuente de hidrógeno, ¿de dónde podemos obtener el hidrógeno?

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La forma más sencilla de obtener hidrógeno a partir del agua es lo que Sir William Grove conoce desde hace más de 150 años: la electrólisis. Si pasa una corriente eléctrica a través del agua, las moléculas de H2O se descompondrán. Similar al funcionamiento de una pila de combustible, este proceso utiliza un ánodo y un cátodo, generalmente hechos de metales inertes. Cuando se aplica una corriente eléctrica al agua, se forma hidrógeno en el cátodo y oxígeno en el ánodo. Aunque este proceso es lento, se puede realizar a gran escala.

Otra fuente de hidrógeno es el gas natural, compuesto de hidrocarburos naturales. Se puede utilizar un proceso llamado reformado con vapor para separar el gas hidrógeno del carbono. Este es actualmente el método más común de producir hidrógeno a escala industrial y probablemente sería el primer método utilizado para producir hidrógeno para vehículos con pilas de combustible. Desafortunadamente, este proceso utiliza combustibles fósiles, gas natural, por lo que si el objetivo de construir automóviles impulsados ​​por hidrógeno es evitar agotar las reservas de combustibles fósiles, el gas natural sería la peor fuente posible de ese combustible.

Algunos expertos han sugerido que puede ser posible construir fábricas de hidrógeno en miniatura que se adapten al garaje de una persona común, de modo que ni siquiera tenga que ir a la estación de servicio local para llenar el tanque de hidrógeno de su automóvil. La forma más extrema de esta idea fue la sugerencia de que la electrólisis podría realizarse dentro del propio automóvil, lo que haría posible la idea extraordinaria de un automóvil que funciona con agua. Sin embargo, la energía para la electrólisis debe provenir de algún tipo de batería, por lo que un carro acuático necesitaría recargarse periódicamente.

Entonces, ¿son los dispositivos de dirección ecológicos, como los vehículos de pila de combustible, realmente los coches del futuro? Mucha gente lo espera, pero existen varios obstáculos potenciales en el camino de un mundo en el que la gente viaja en coches propulsados ​​por hidrógeno. Los revisaremos en la página siguiente.

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Declive de los coches de hidrógeno

Los vehículos de hidrógeno de Daimler, Volkswagen y BMW circulan por una autopista de Nueva York.  Los coches eran parte de un circuito impulsado por hidrógeno de 31 ciudades que también incluye vehículos de hidrógeno de GM, Honda, Hyundai, Kia, Nissan y Toyota.

Los vehículos de hidrógeno de Daimler, Volkswagen y BMW circulan por una autopista de Nueva York. Los autos eran parte de un circuito impulsado por hidrógeno en 31 ciudades que también incluye vehículos de hidrógeno de GM, Honda, Hyundai, Kia, Nissan y Toyota.

Foto AP / Richard Drew

Mucha gente cree que las pilas de combustible de hidrógeno son la tecnología de combustible alternativo más importante que se está desarrollando actualmente. Sin embargo, esto tiene sus problemas y pueden pasar décadas antes de que la tecnología de pilas de combustible se utilice ampliamente. Los problemas del hidrógeno se pueden agrupar en tres categorías: los costes de desarrollo de la tecnología, las dificultades y peligros de almacenar hidrógeno y la posibilidad de que esta “tecnología no contaminante” no sea tan no contaminante. Éstos son algunos de los reveses de los coches propulsados ​​por hidrógeno que podemos esperar en un futuro próximo.

Los costos de desarrollar la tecnología del hidrógeno son altos. No solo necesitamos diseñar y desarrollar pilas de combustible y automóviles, sino también desarrollar una infraestructura para respaldar estos vehículos de bajo consumo de combustible. Imagínese que actualmente posee un automóvil de hidrógeno. ¿A dónde irías a llenar tu tanque? Suponiendo que no tenga una instalación de producción de hidrógeno en su garaje, necesitará una estación de servicio de hidrógeno y el único lugar donde actualmente hay una cantidad significativa de estas estaciones es en el estado de California, donde el gobernador Arnold Schwarzenegger se ha comprometido a apoyar una futuro del hidrógeno. Algunas de las estimaciones más pesimistas apuntan al costo de construir una infraestructura que llevará una cantidad significativa de autos de hidrógeno a $ 500 mil millones y el tiempo que lleva producir la infraestructura en hasta cuatro décadas.

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El costo de los autos también es alto. Con el platino como el catalizador más utilizado en las pilas de combustible, el precio de un vehículo con una sola pila de combustible está actualmente por encima de los 100.000 dólares y posiblemente mucho más, razón por la cual los únicos coches propulsados ​​por hidrógeno que puede conducir se alquilan actualmente. , no vender. Pocas personas pueden permitirse un automóvil tan caro. Se están desarrollando otros catalizadores y es probable que sean más baratos que el platino, pero nadie sabe cuándo estarán disponibles para su uso a gran escala.

El problema de la conservación también es espinoso. El hidrógeno es un gas y le encanta extenderse. Ponerlo en el coche significa reducirlo a un tamaño razonable y no es fácil. Además, el hidrógeno se calienta cuando se coloca en el tanque de combustible de un automóvil estacionado, lo que hace que el gas se expanda. Esto significa que los tanques deben evacuar regularmente el hidrógeno del automóvil. Deje un automóvil impulsado por hidrógeno inactivo durante unos días más y se acabará todo el combustible. El hidrógeno también es altamente inflamable; algunos creen que la espectacular explosión de la aeronave Hindenburg en la década de 1930 fue el resultado de un incendio de hidrógeno, por lo que si el hidrógeno se escapa del tanque, podría ser peligroso. . Afortunadamente, los incendios de hidrógeno no son tan intensos como los incendios de gasolina y es menos probable que provoquen incendios secundarios. Y a medida que aumenta el hidrógeno, la mayor parte del hidrógeno que se escapa flotará antes de que pueda causar daños.

¿Y el hidrógeno es realmente no contaminante? Una celda de combustible produce solo calor y agua como gas de escape, pero los procesos utilizados para crear hidrógeno no son necesariamente tan limpios. La electrólisis utiliza electricidad y esa electricidad a menudo proviene de centrales eléctricas que queman carbón, una fuente muy contaminante. Y cuando el hidrógeno se extrae del gas natural, produce emisiones de carbono, que estamos tratando de evitar utilizando primero hidrógeno.

Mucha gente piensa que algún día superaremos estos obstáculos, pero será difícil. Otros creen que nuestra mejor apuesta para la eficiencia del combustible y la conducción ecológica en el futuro cercano no es el hidrógeno, sino los vehículos eléctricos híbridos, como el Toyota Prius, el Ford Fusion Hybrid y otros vehículos híbridos. Sin embargo, es posible que en las próximas dos décadas tenga un coche de pila de combustible de hidrógeno.

Para obtener más información sobre combustibles alternativos, automóviles híbridos y otros temas relacionados, siga los enlaces de la página siguiente.

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Los visitantes ven el Honda FCX Clarity en el Salón del Automóvil de China 2008 en Beijing el 20 de abril de 2008.

Los visitantes ven el Honda FCX Clarity en el Salón del Automóvil de China 2008 en Beijing el 20 de abril de 2008.

Foto AP / Oded Balilty

El coche del futuro está aquí hoy. Obviamente, todavía no puedes comprar uno; pero si vive en California, puede alquilar uno. No usa gasolina y no contamina el aire. De hecho, produce vapor en lugar de escape. Entonces, ¿cuál es el misterioso combustible? Hidrógeno: el elemento más simple y abundante del universo. Y algunas personas piensan que en 20 o 30 años estaremos conduciendo todos estos vehículos propulsados ​​por hidrógeno con bajo consumo de combustible.

Aunque los coches de hidrógeno tienen calidad de ciencia ficción, la idea no es exactamente nueva. De hecho, la tecnología de utilizar hidrógeno para generar electricidad existe desde principios del siglo XIX, es más larga que los automóviles. La novedad es que se puede ver un automóvil impulsado por hidrógeno en la carretera, con vapor saliendo del escape en lugar del gas maloliente. Actualmente hay varios coches propulsados ​​por hidrógeno, pero la mayoría de ellos son coches de concepto. Estas marchas ecológicas incluyen el Chevrolet Equinox, el BMW 745h y lo que actualmente está disponible para alquiler en California, el Honda FCX.

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Lo que hace posible un coche de hidrógeno es un dispositivo llamado Pila de combustible, que convierte el hidrógeno en electricidad, liberando solo calor y agua como subproductos. Debido a que no contamina, el hidrógeno parece ser el combustible ideal para el siglo XXI. Muchas personas en el gobierno y la industria automotriz están entusiasmadas con su potencial. Los coches propulsados ​​por hidrógeno tienen el potencial de reducir el consumo de combustible y ofrecen esperanzas de conducción ecológica. Pero aún quedan muchos problemas por superar y preguntas por responder antes de que el hidrógeno se convierta en el combustible elegido por suficientes personas para marcar una gran diferencia en nuestro uso actual de combustibles fósiles. Por ejemplo, ¿de dónde obtenemos el hidrógeno? ¿Cuál será el precio de compra de estos coches de bajo consumo? ¿Puedes encontrar una estación de servicio de hidrógeno para llenar tu tanque? Y, quizás lo más importante, como combustible, ¿es el hidrógeno realmente tan limpio como parece?

Veremos estas preguntas en las páginas que siguen, pero por ahora podemos darle una respuesta rápida: a menos que viva en un país específico y tenga los bolsillos llenos de dinero, no espere un automóvil de hidrógeno. en su garaje durante la próxima década.

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